Der sengende Kern der Erde ist kein Einzelgänger - er wurde dabei erwischt, wie er sich mit anderen unterweltlichen Schichten vermischt. Dies geht aus einer neuen Studie hervor, in der festgestellt wurde, dass der innerste Teil des Planeten einen Teil seines Inhalts in Mantelwolken leckt, von denen einige schließlich die Erdoberfläche erreichen.
Diese Entdeckung hilft bei der Beilegung einer Debatte, die seit Jahrzehnten tobt: ob der Kern und der Mantel Material austauschen, sagten die Forscher.
"Unsere Ergebnisse legen nahe, dass etwas Kernmaterial in die Basis dieser Mantelwolken übertragen wird, und der Kern hat dieses Material in den letzten 2,5 Milliarden Jahren ausgetreten", schrieben die Forscher in The Conversation, einer Website, auf der Wissenschaftler über ihre Forschung für die Öffentlichkeit.
Möglich wurde der Befund durch das Metall Wolfram (W), Element 74 im Periodensystem. Wenn Wolfram ein Dating-Profil erstellen würde, würde es feststellen, dass es ein Siderophiler oder "Eisenliebhaber" ist. Kein Wunder also, dass im Erdkern, der hauptsächlich aus Eisen und Nickel besteht, viel Wolfram hängt.
In seinem Profil würde Wolfram auch auflisten, dass es einige Isotope (ein Element mit einer anderen Anzahl von Neutronen in seinem Kern) hat, einschließlich W-182 (mit 108 Neutronen) und W-184 (mit 110 Neutronen). Bei der Ausarbeitung ihrer Studie stellten die Forscher fest, dass diese Isotope ihnen helfen könnten, die Kernfrage zu lösen.
Ein weiteres Element, Hafnium (Hf), ist ein Lithophil, das heißt, es liebt Gesteine und befindet sich im silikatreichen Erdmantel. Mit einer Halbwertszeit von 8,9 Millionen Jahren zerfällt das radioaktive Isotop Hf-182 von Hafnium in W-182. Dies bedeutet, dass der Mantel mehr W-182 haben sollte als der Kern, argumentierten die Wissenschaftler.
"Daher könnte ein chemischer Austausch zwischen dem Kern und der Quelle der Mantelwolken im Verhältnis von 182 W / 184 W von Ozeaninselbasalten nachweisbar sein", die von Federn im Mantel stammen, schrieben die Forscher in der Studie.
Dieser Unterschied bei Wolfram wäre jedoch unglaublich gering: Es wurde erwartet, dass sich die Wolfram-182-Zusammensetzung im Mantel und im Kern nur um etwa 200 ppm unterscheidet. "Weniger als fünf Labors auf der Welt können diese Art der Analyse durchführen", schrieben die Forscher in The Conversation.
Darüber hinaus ist es nicht einfach, den Kern zu untersuchen, da er in einer Tiefe von etwa 2.900 Kilometern unter der Erde beginnt. Das tiefste Loch, das Menschen jemals gegraben haben, ist das Kola Superdeep-Bohrloch in Russland mit einer Tiefe von etwa 12,3 km.
Daher untersuchten die Forscher das nächstbeste: Gesteine, die aus dem tiefen Mantel des Pilbara-Kratons in Westaustralien auf die Erdoberfläche sickerten, sowie die Hotspots der Insel Réunion und des Kerguelen-Archipels im Indischen Ozean.
Leck erkannt
Die Menge an Wolfram in diesen Gesteinen zeigte ein Leck aus dem Kern. Während des Lebens der Erde gab es eine große Veränderung des Verhältnisses von W-182 zu W-184 im Erdmantel, stellten die Forscher fest. Seltsamerweise haben die ältesten Gesteine der Erde ein höheres Verhältnis von W-182 zu W-184 als die meisten modernen Gesteine.
"Die Änderung des 182W / 184W-Verhältnisses des Mantels weist darauf hin, dass Wolfram aus dem Kern schon lange in den Mantel gelangt ist", schrieben die Forscher in The Conversation.
Die Erde ist ungefähr 4,5 Milliarden Jahre alt. Die ältesten Mantelgesteine des Planeten zeigten jedoch keine signifikanten Veränderungen der Wolframisotope. Dies deutet darauf hin, dass vor 4,3 bis 2,7 Milliarden Jahren nur wenig oder gar kein Materialaustausch vom Kern zum oberen Mantel stattgefunden hat, sagten die Forscher.
In den letzten 2,5 Milliarden Jahren hat sich die Wolframisotopenzusammensetzung im Mantel erheblich verändert. Warum ist das passiert? Wenn Mantelwolken von der Kern-Mantel-Grenze aufsteigen, dann geht das Material von der Erdoberfläche vielleicht wie eine Wippe in den tiefen Mantel, sagten die Forscher. Dieses Oberflächenmaterial enthält Sauerstoff, ein Element, das Wolfram beeinflussen kann, sagten die Forscher.
"Subduktion, der Begriff für Gesteine von der Erdoberfläche, die in den Erdmantel absteigen, führt sauerstoffreiches Material von der Oberfläche in den tiefen Erdmantel als integralen Bestandteil der Plattentektonik", schrieben die Forscher in The Conversation. "Experimente zeigen, dass eine Erhöhung der Sauerstoffkonzentration an der Kern-Mantel-Grenze dazu führen kann, dass sich Wolfram aus dem Kern in den Mantel abscheidet."
Oder vielleicht, als sich der innere Kern nach der Bildung der Erde verfestigte, stieg die Sauerstoffkonzentration im äußeren Kern an, sagten die Forscher. "In diesem Fall könnten unsere neuen Ergebnisse etwas über die Entwicklung des Kerns aussagen, einschließlich des Ursprungs des Erdmagnetfelds", schrieben sie in The Conversation.
